功能材料(磁性材料)ppt课件.ppt
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1、功能材料Function Materials,主讲:克默迪企业 杨子中,第五章 磁性材料,具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能,是重要的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为硬磁、半硬磁、软磁材料三种。从应用方面考虑,磁性材料可分为软磁材料、硬磁材料、磁记录材料及一些特殊用途的磁性材料等等。,近年来,磁性材料又有了突飞猛进的发展,一些新型的磁性材料受到了重砚,并正在走向实用。如稀土永磁材料,室温磁致冷材料、新型的多层膜磁记录材料、有机铁磁材料、准晶、非晶材料;铁氧体材料、铁电反铁磁材料等已成为近几年来磁性功能材料领域研究的热点。磁性材料广泛地应用于计算
2、机、通讯、自动化、音像、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。,磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防和人类生活的各个领域。据统计1994年全球磁性材料产量约650一750万吨。产值100亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值2美元。全球磁性材料需求量每年以l0一25%速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺不断涌现。是最活跃的材料领域之一。,5.1 软磁材料,矫顽力低(Hci100Am)、磁导率高的磁性材料称为软磁材料。软磁材料的磁滞回线细长,磁导率高,矫顽力低,铁芯损耗低,容易磁化,也容易去磁。它主要应用于制造发电机和电动机的定子和转子;变压器、电感器、电抗器、继
3、电器和镇流器的铁芯;计算机磁芯;磁记录的磁头与磁介质;磁屏蔽;电磁铁的铁芯、极头与极靴;磁路的导磁体等。它是电机工程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域的重要功能材料。,软磁材料的种类很多,大致可分为金属软磁材料及软磁铁氧体。现有软磁材料若按磁特性可分为高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等;若按材料的成分,可分为电工纯铁、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合金等;也可分为晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。,金属软磁(合金)材料是磁性材料中用途最广,用量最大的一类材料,包括纯铁,电工钢,合金及非晶态合金。不同
4、的工作条件,对材料的性能要求亦有不同:在强磁场下工作的磁性部件,如电力工业中大量使用的电动机、发电机、大功率变压器、电磁铁等,要求所用的磁性材料应具有高的饱和磁感应强度,价格便宜,生产工艺简单,便于大批生产;在通讯技术中常用的变压器、换能器的铁芯,磁屏蔽材料及有关磁性元件,基本上是在弱磁场下工作,要求相应的材料具有高的磁导率。,软磁材料的种类很多,大致可分为金属软磁材料及软磁铁氧体。现有软磁材料若按磁特性可分为高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等;若按材料的成分,可分为电工纯铁、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合
5、金等;也可分为晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。,5.1.1 电工用纯铁,电工用纯铁含碳量极低,其纯度在99.95以上,退火态起始磁导率i为3005000,最大磁导率m为6000120000,矫顽力Hc为39.895.5Am。电工用纯铁主要用于制造电磁铁的铁芯和磁极,继电器的磁路和各种零件,感应式和电磁式测量仪表的各种零件,杨声器的磁路,电话中的振动膜,磁屏蔽,电机中用以导引直流磁通的磁极及冶金原料等。我国生产的电工用纯铁的机械性能如下:抗拉强度b27kgmm2;延伸率525;断面收缩率60;布氏硬度HB131。,表5-l 几种电工用纯铁的磁性能,影响纯铁磁性能的因素有多种,包括晶粒的结晶轴对磁
6、化方向的取向关系,纯铁中的杂质,晶粒大小,金属的塑性变形,加工过程中的内应力等等。为了改善纯铁的磁性能,除严格控制冶炼与轧制过程,还可以采用高温长时间氢气退火,消除晶格畸变和内应力,粗化晶粒。电工用纯铁只能在直流磁场下工作,在交变磁场下工作,涡流损耗大。在纯铁中加入少量硅(0.380.45)形成固溶体,可以提高合金电阻率,减少材料涡流损耗。随着纯铁中含硅量的增加,磁滞损耗降低,而在弱磁场和中等磁场下,磁导率增加。但硅含量高于4,材料变脆。,5.1.2 电工用硅钢片 电工用硅钢片按材料生产方法,结晶织构和磁性能可分为以下四类;(1)热轧非织构(无取向)的硅钢片;(2)冷轧非织构(无取向)的硅钢片
7、;(3)冷轧高斯织构(单取向)的硅钢片;(4)冷轧立方织构(双取向)的硅钢片。 电工用硅钢片主要用于各种形式的电机、发电机和变压器中,在扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表中也大量使用。,不同的工作环境,对硅钢片的性能提出了不同的要求,一般将实用的硅钢片按强磁场、中等磁场(51000Am)、弱磁场(0.20.8Am)下工作来分类。硅钢片的机械性能与硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(碳,氧,氢)含量分布状况以及钢板厚度有关,在很大程度上取决于有害杂质含量、冶炼方法、轧制的压下制度、退火温度和介质以及钢板表面状况等。,硅钢片的磁性能同样与硅含量、冶炼过程、热处理工艺、晶粒大小有关。一般认为,硅含
8、量在66.5的钢具有高的磁导率(i,m),硅也使铁的磁各向异性和磁致伸缩降低。考虑到硅钢的机械性能及加工工艺性能,其中硅的含量不宜超过4。另外,碳、氢、硫、锰等元素均对合金的磁性能有不利影响;增大晶粒可以改善硅钢的磁性能,但使磁滞损耗增加。,为了进一步提高电工钢的磁性能,高斯研制了具有取向结晶结构的硅钢片高斯织构硅钢片(冷轧取向硅钢片)。这种结构中,铁晶格的易磁化方向100轴与轧制方向吻合,难磁化方向111轴与轧制方向成55角,中等磁化轴110与轧制方向成90角,如图5-1所示。,图5-1 Fe-Si3.8合金单晶体磁化方向示意图,这种织构以符号(110)100表示,(110)面与轧制面吻合,
9、而100方向与轧制方向吻合。由于结构上特点,冷轧取向硅钢片具有磁各向异性,在强磁场内,单位铁损的各向异性最大,在弱磁场中,磁感应强度和磁导率的各向异性最大。因此,用这种硅钢片制铁芯时常采用转绕方式。,立方织构硅钢片指晶粒按立方体取向,即立方体的(100)面与轧制面相吻合,立方体的棱100轴沿轧制方向取向。立方体的棱即易磁化方向是沿着和横着轧制方向取向的,中等难磁化轴110则与轧制方向成45角,而最难磁化轴111则偏离磁化平面。,立方织构硅钢在性能上优于上述高斯织构硅钢,如果两种织构合金的含硅量相同,立方织构极薄带钢的磁导率比高斯织构带钢高;沿轧制和垂直于轧制方向切取的立方织构试样,无论在弱磁场
10、或强磁场内,都具有同样高的磁导率。表5-2为两种织构硅钢片性能比较。虽然立方织构硅钢片显示了诸多优势,但限于其制造工艺不过关,故只用于制造个别试验用变压器,电动机和发电机,难以批量生产。,表5-2 高斯织构和立方织构硅钢片性能比较,工业上使用的硅钢片一般都在交变磁场下工作,为减小铁芯的涡流损耗,硅钢片表面都施以绝缘涂层。如有机漆和有机涂料、陶瓷质涂层等。,5.1.3 铁镍合金与铁铝合金a)铁镍合金 铁镍软磁合金的主要成分是铁、镍、铬、钼、铜等元素。在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率,低的饱和磁感应强度,很低的娇顽力,低的损耗。该合金加工性能良好,可轧成3mm厚的薄带,可在500 kHz的高频下
11、应用。铁镍软磁合金与电工钢相比性能优越,被广泛地应用于电讯工业,仪表,电子计算机,控制系统等领域,只是价格昂贵。此外,工艺参数变动对其磁性能影响很大,因此,产品性能不够稳定。,图5-2是铁镍合金相图与不同成分合金的性能。常用的铁镍软磁合金的成分大致在含镍4090范围内,此成分范围的合金均为单相固溶体。超结构相Ni3Fe的有序-无序转变温度为506,其居里温度是611,有序相对居里温度有影响。原于有序化对电阻率有影响,同时强烈影响合金磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数;磁导率和矫顽力亦对组织结构较敏感。,图5-2 铁镍系合金的相图和基本物理性能,图5-3示出经过不同的热处理合金磁导率的变化。由图
12、可以看出含镍量7680范围内的合金具有较高的磁导率,这是因为此范围正在超结构相Ni3Fe成分附近,所以冷却过程中发生了明显的有序化转变,使K值及值发生了变化。,图5-3 不同的热处理工艺对铁镍合金的起始磁导率的影响,为使K值及值均趋于零,需得到适量的有序度,因此,铁镍二元合金热处理时必须急冷,否则影响其磁性能。为了改善铁镍合金的磁性能,往往向其中加入钼、铬、铜等元素,使合金有序化速度减慢,降低合金的有序化温度,简化了热处理工艺。 根据特性和用途不同,铁镍软磁合金大致可分为五类:1J50 、1J51 、1J65 、1J79 、1J85 。每一类又有若干不同的牌号,它们的含镍量不同,具有不同的性能
13、和应用。,b)铁铝合金,铁铝合金成本低,应用范围很广。含铝量在16以下时,便可以热轧成板材或带材;含铝量在5-6以上时,合金冷轧较困难。 铁铝合金同其它金属软磁合金相比,具有如下特点:(1)电阻率高;(2)高的硬度和耐磨性;(3)比重小,可减轻铁芯自重;(4)对应力不敏感。一般软磁合金对应力最为敏感,铁铝合金是例外;(5)时效,材料使用时,随时间及环境温度的变化,磁性能发生变化;(6)温度稳定性,可采用低温退火后淬火处理,也可以在50-150下保温10-20h人工时效来改善其温度稳定性。,5.1.4 非晶态合金 前已述及,非晶态合金结构上的无序性,决定了其具有优良的软磁性能,非晶态软磁合金亦成
14、为非常热门的磁性材料。70年代非晶态软磁薄带的研制成功,使它的实用化成为可能。 1铁基非晶态软磁合金 铁基合金的特点是饱和磁感应强度高,一般为1.61.8T;损耗低,只有硅钢的1/41/5。缺点是磁致伸缩系数大。其性能见表5-3。,表5-3 铁基非晶态合金某些特性,2钴基非晶态软磁合金 钴基合金的饱和磁感应强度较低,磁导率高,矫顽力低,损耗小;磁致伸缩系数趋近于零,性能见表5-4。,表5-4 钴基非晶态软磁合金的特性,3铁镍基非晶态软磁合金 与上述两类合金相比,铁镍基合金的性能基本上介于两者之间。饱和磁感应强度为0.71.0T;磁致伸缩系数较铁基合金低,其性能见表5-5。,表5-5 铁镍基非晶
15、态软磁合金特性,非晶态合金与常用的其它晶态软磁材料(如硅钢片)相比,磁导率高,电阻大,损耗小,图5-4为Fe8lB13.5Si3.5C2与硅钢片磁滞回线的比较。从长远来看,用非晶态合金代替硅钢片制作变压器铁芯前景十分可观;但就目前的情况看,仍存在许多问题,比如非态合金带的厚度要比硅钢片小得多,这将大大影响其使用性能。,图5-4 非晶态合金与晶粒取向硅钢片的磁滞回线,据报导,日本每年由于电器设备中的铁芯发热损失电量80亿度,若用非晶态合金代替硅钢片,可节电3/4。此外,非晶态合金的生产工艺简单,生产过程中的能耗比生产等量的硅钢片少80左右。由于非晶态合金电阻率较晶态材料高、所以适合在高频下使用。
16、研究表明,比较适作变压器的非晶态合金是铁基合金,如Fe-B系及在此基础上形成的Fe-B-Si系和Fe-B-Si-C系。美国和日本在这方面做了许多研究工作。,表5-6为美国试制的15kV变压器性能与硅钢片变压器比较。用非晶态合金制做电机可使铁芯损耗降低90左右。利用某些非晶态材料磁致伸缩系数大的特性,可以制造一些电子器件,如用Fe78Si10B12作为超声振子材料,用Fe-B系或Co-Si-B系非晶态合金制成传感器元件、开关晶体管组合成的应力传感器、漏电保护装置等。,表5-6 15kV配电变压器的性能,钴基非晶态合金不仅初始导磁率高,电阻率高,而且磁致伸缩极小,接近于零,是理想的磁头材料,目前在
17、日本、美国已商品化。这部分内容将在磁记录材料中详述。此外,这类合金还适合作磁屏蔽材料,与通常作为磁屏蔽材料的坡莫合金相比,非晶态合金价格便宜;可织成布,容易弯曲、裁制、冲孔等,且不需要退火;从效果上看也比坡莫合金好。目前作磁屏蔽材料的非晶态合金主要是Co66Fe4(Mo, Si, B)30。,在单相钴基非晶软磁金属丝和薄带中,发现了交流磁阻抗随外加场增加而极其灵敏变化的现象,非晶丝灵敏度达12120/Oe (奥斯特) ,溅射非晶薄膜的灵敏度达1020,有人将此现象称为巨磁阻抗(GMI)效应。在室温下大的磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使其在传感技术和磁记录头技术中具有巨大的应用潜能,目前这方
18、面的研究在国内外都受到重视。此外,非晶态软磁合金制成细丝,可作为磁分离介质。国内有人曾用Fe75Cr5P13C7非晶态合金细丝净化高岭土;还可以净化污水及医院废水中的细菌。,总之,非晶态合金作为软磁材料有很广阔的应用前景,但也不应忽视存在的问题:(1)温度对磁的不稳定性影响比较大,尤其当开始出现结晶时,矫顽力增加,铁损及磁导率也随之变化;(2)非晶态软磁合金的高磁导率性能只停留在铁镍合金水平上;(3)非晶软磁合金作为电力设备铁芯使用时,不能制出很宽的薄板,批量生产成本高,饱和磁感应强度比硅钢低。,5.2 硬磁材料 硬磁料也称为永磁材料,是指材料被外磁场磁化以后,去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材
19、料。它也是人类最早发现和应用的磁性材料。 对于永磁材料,人们希望它的剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc越大越好,但仅有Br和Hc还不能衡量永磁材料性能好坏。评价永磁材料性能好坏的几个重要指标是:剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、最大磁能积(BH)max以及凸起系数。,永磁材料饱和磁滞回线的第二象限部分称退磁曲线,上述几个参数都反映在这条曲线上。同磁滞回线一样,退磁曲线也可做成B-H曲线和M-H曲线,其相应的矫顽力分别以HCB和HCM表示,如图5-5。退磁曲线上每点都对应一定的磁能积BH值。图5-5中P点称为最大磁能积点,它所对应的磁能积为最大磁能积(BH)max。,图5-5 永磁材料的退磁曲线和磁能
20、曲线,由图5-5可以看出,退磁曲线的最大磁能积(BH)max不仅随Br和Hc值的增高而增大,而且与退磁曲线的形状有关。在Br和Hc值不变的情况下,退磁曲线越接近于直线,则(BH)max值越低;相反,退磁曲线越凸起,(BH)max值就越大。退磁曲线的这种特性可以用凸起系数表示: (BH)max/Br Hc,图5-5 永磁材料的退磁曲线和磁能曲线,永磁材料的种类很多,可以按不同的分类方法对其进行分类。目前产量较大,应用较为普遍的永磁材料主要有以下几个系列:铝镍钴系永磁合金,永磁铁氧体材料,稀土永磁材料,可加工的永磁合金,复合(粘结)永磁材料,单畴微粉永磁合金及塑料永磁材料。下面分别介绍几类金属永磁
21、材料。,5.2.1 铝镍钴永磁合金 铝镍钴系永磁合金具有高的磁能积及高的剩余磁感应强度,适中的矫顽力。(BH)max = 4070kJ/m3,Br0.71.35T,Hc4060kA/m。这类合金属沉淀硬化型磁体,高温下呈单相状态(相),冷却时从相中析出磁性相使矫顽力增加。AlNiCo系合金硬而脆,难于加工,成型方法主要有铸造法和粉末烧结法两种。,铝镍钴系永磁合金以Fe,Ni,Al为主要成分,通过加入Cu,Co,Ti等元素进一步提高合金性能。从成分角度可以将该系合金划分为铝镍型,铝镍钴型,铝镍钴钛型三种。其中铝镍钴型合金具有高的剩余磁感应强度;铝镍钴钛型则以高矫顽力为主要特征。见表5-7,这类合
22、金的性能除与成分有关外,还与其内部结构有密切关系。铸造铝镍钴系合金从织构角度可划分为各向同性合金,磁场取向合金和定向结晶合金三种。,表5-7 铝镍钴系列化学成分及磁性能,AlNiCo5型合金价格适中,性能良好,故成为这一系列中使用最广泛的合金。由于采用高温铸型定向浇注和区域熔炼法,使其磁性能获得很大提高。 由于六、七十年代永磁铁氧体和稀土永磁合金的迅速发展,铝镍钴合金开始被取代,其产量自70年代以来明显下降。但在对永磁体稳定性具有高要求的许多应用中,铝镍钴系永磁合金往往是最佳的选择。铝镍钴合金被广泛用于电机器件上,如发电机,电动机,继电器和磁电机;电子行业中的扬声器,行波管,电话耳机和受话器等
23、。,5.2.2 稀土永磁材料 稀土永磁材料是稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe,Co,Cu,Zr等或非金属元素B,C,N等组成的金属间化合物。自20世纪60年代开始至今,稀土永磁材料的研究与开发经历了四个阶段:第一代是60年代开发的RCo5型合金(1:5)型。其中起主要作用的金属间化合物的组成是按1:5的比例。这种类型的合金分单相和多相两种,单相是指从磁学原理上为单一化合物的RCo5永磁体,如SmCo5,(SmPr)Co5烧结永磁体;多相是指以1:5相为基体,有少量2:17型沉淀相的1:5型永磁体。,第一代稀土永磁合金于70年初投入生产。第二代稀土永磁合金为R2TM17型(2:17型,TM代
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